運算放大器的原理和應(yīng)用

1、基本電路理論課程論文 2006-2007第一學(xué)期 運算放大器的原理和應(yīng)用鳳杰，何文壘，黃維偉，李淵飛，李揚凱，譚大禮，周舒揚（上海交通大學(xué) 電氣工程與電子信息學(xué)院，上海 200240）摘要： 本文介紹了運算放大器的一些很基本的原理以及一些很簡單的應(yīng)用，原理涉及到運放的組成，性能指標，特性，然后將到理想運算放大器，之后基于理想運放的一些特性，闡述了一些簡單的應(yīng)用，一些簡單的運算電路。關(guān)鍵字：運算放大器，運算放大器的原理，運算放大器的應(yīng)用1 運算放大器的原理運算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件，雖然各中不同的運放結(jié)構(gòu)不同，但對于外部電路而言，其特性都是一樣的。運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路

2、，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數(shù)），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅(qū)動負載的能力），這里只是簡單的介紹一下，具體的實現(xiàn)比較復(fù)雜。工業(yè)上，用來衡量一個運算放大器的性能的指標有很多，一般認為實際運算放大器越接近理想運放就越好，課堂上我們涉及到的只是要求輸入端等效電阻無窮大，開環(huán)增益無窮大，其實還有很多其他的指標，我就簡要介紹下吧，運算放大器的性能指標包括5個，開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，最大輸出電壓，差模輸入電阻，輸出電阻，共模抑制比CMRR。（開環(huán)差模放大倍數(shù)是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模

3、電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓是指它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰-峰值。差模輸入電阻的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。共模抑制比放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好。）圖1 運算放大器特性曲線 圖2 運算放大器輸入輸出端圖示圖1是運算放大器的特性曲線，一般用到的只是曲線中的線性部分。如圖2所示。U-對應(yīng)的端子為“-”，當(dāng)輸入U-單獨加于該端子時，輸出電壓與輸入電壓U-反相，故稱它為反相輸入端。U+對應(yīng)的端子為“”，當(dāng)輸入U+單獨由該端加入時，

4、輸出電壓與U+同相，故稱它為同相輸入端?；倦娐防碚撜n程論文 2006-2007第一學(xué)期輸出：U0= A(U+-U-) ； A稱為運算放大器的開環(huán)增益（開環(huán)電壓放大倍數(shù)）在實際運用經(jīng)常將運放理想化，這是由于一般說來，運放的輸入電阻很大，開環(huán)增益也很大，輸出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到：Ri，Ro0，A。），如果同向輸入由 A,得到U+U-，于是兩個輸入端可以近似看作短路（稱為“虛短”端接地，反向輸入端與地幾乎同電位（稱為“虛地”）。由Ri可知，輸入端電路近似等于0，故可把輸入端看作是斷路（稱之為“虛斷”）。2 運算放大器的應(yīng)用這里只談理想運放的應(yīng)用，實際運放可以近似看作是理想運

5、放。運算放大器的應(yīng)用很廣泛，這里我們只談?wù)動蛇\算放大器加上其他一些集中性元件組成的運算電路。運算電路的應(yīng)用相對其他而言更加廣泛，而且理解起來方便一些。運算電路包括比例電路，和差電路，積分微分電路，對數(shù)和指數(shù)運算電路。1比例電路：所謂的比例電路就是將輸入信號按比例放大的電路，比例電路又分為反向比例電路、同相比例電路、差動比例電路。（1） 反向比例電路：反向比例電路如圖3所示，輸入信號加入反相輸入端，有圖3 反向比例電路電路圖 圖4 同相比例電路電路圖，由基爾霍夫定律知：由此知道，輸出電壓U0與輸入電壓Ui稱比例關(guān)系，方向相反，改變比例系數(shù)，即改變兩個電阻的阻值就可以改變輸出電壓的值。反向比例電路

6、對于運放的性能也有一定的性能要求，比如對輸入信號的負載能力有一定的要求.?；倦娐防碚撜n程論文 2006-2007第一學(xué)期（2） 同向比例電路（圖4）：跟反向比例電路本質(zhì)上差不多，除了同向接地的一段是反向輸入端，由，得到當(dāng)然同向比例電路也是有于是只要改變比例系數(shù)就能改變輸出電壓，且Ui與U0的方向相同，一定要求的，比如對集成運放的共模抑制比要求高.（3） 差動比例電路（圖5）：輸入信號分別加在反相輸入端和同相輸入端，具體的步驟和前兩個差不多就不在推導(dǎo)了，最后得到：由此我們可以看出它實際完成的是：對輸入兩信號的差運算。2和差電路：和差電路也是一種運用比較廣泛的電路，這里就舉三個電路：反向求和電路

7、，同向求和電路，和差電路。（1） 反向求和電路與同向求和電路：兩者差別只在于輸入信號加入了反相輸入端與同相輸入端的差別，反向求和電路如圖6，同向求和電路如圖7。由基爾霍夫電流定律，反向求和電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為，基本電路理論課程論文 2006-2007第一學(xué)期圖5 差動比例電路電路圖 圖6 反向求和電路電路圖圖7 同相求和電路電路圖同向求和電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：雖然兩者比較類似，但還是有區(qū)別的，反向求和電路的特點與反相比例電路相同。它可十分方便的某一電路的輸入電阻，來改變電路的比例關(guān)系，而不影響其它路的比例關(guān)系。而同向求和電路的應(yīng)用不是很廣泛，主要由于它的調(diào)節(jié)不如反相求和

8、電路，而且它的共模輸入信號大。（2） 和差電路：它的電路圖如圖8所示。此電路的功能是對Ui1、Ui2進行反相求和，對Ui3、Ui4進行同相求和，然后進行的疊加即得和差結(jié)果，他的輸入輸出電壓關(guān)系為：圖8 和差電路電路圖由于該電路用一只集成運放，它的電阻計算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用二級集成運放組成和差電路。它的電路圖如圖9所示，它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：基本電路理論課程論文 2006-2007第一學(xué)期圖9 二級集成運放組成的和差電路電路圖它的后級對前級沒有影響（采用的是理想的集成運放），它的計算十分方便。3積分和微分電路：以上用到的元件基本上都是電阻元件，如果其中端的電阻換成電容，那么結(jié)果

9、就會變成積分電路和微分電路。（1） 積分電路：如圖10所示的電路，它可實現(xiàn)積分運算及產(chǎn)生三角波形等。積分運算是：輸出電壓與輸入電壓呈積分關(guān)系。它是利用電容的充放電來實現(xiàn)積分運算，它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：其中:形輸出。 表示電容兩端的初始電壓值。如果電路輸入的電壓波形是方形，則產(chǎn)生三角波（2） 微分電路：微分電路與積分電路的區(qū)別只是電阻和電容位置互換。微分是積分的逆運算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系。電路圖如圖11所示：它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：圖10 積分電路電路圖 圖11 微分電路電路圖基本電路理論課程論文 2006-2007第一學(xué)期4對數(shù)和指數(shù)運算電路：對數(shù)電路使用了二極管，二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出，正是利用這個特性而實現(xiàn)了對數(shù)和指數(shù)電路。（1） 對數(shù)運算電路：對數(shù)運算電路輸出電壓與輸入電壓呈對數(shù)函數(shù)。我們把反相比例電路中Rf用二極管代替即組成了對數(shù)運算電路。電路圖如圖12所示。于是他的輸出輸入電壓關(guān)系是圖12 對數(shù)運算電路電路圖 圖13 指數(shù)運算電路電路圖其實也可以用三極管代替二極管，原理是一樣的，除了要多連接一條線路。（2） 指數(shù)運算電路：指數(shù)運算電路與對數(shù)運算電路差別僅僅只是把二極管和電阻互相位置，指數(shù)運算電路是對數(shù)運算的逆運算,將指數(shù)運算電路的二極管(三級管)與電阻R對